A partition‑based branch‑and‑bound algorithm for the project duration problem with partially renewable resources and general temporal constraints

The concept of partially renewable resources provides a general modeling framework that can be used for a wide range of different real-life applications. In this paper, we consider a resource-constrained project duration problem with partially renewable resources, where the temporal constraints between the activities are given by minimum and maximum time lags. We present a new branch-and-bound algorithm for this problem, which is based on a stepwise decomposition of the possible resource consumptions by the activities of the project. It is shown that the new approach results in a polynomially bounded depth of the enumeration tree, which is obtained by kind of a binary search. In a comprehensive experimental performance analysis, we compare our exact solution procedure with all branch-and-bound algorithms and state-of-the-art heuristics from the literature on different benchmark sets. The results of the performance study reveal that our branch-and-bound algorithm clearly outperforms all exact solution procedures. Furthermore, it is shown that our new approach dominates the state-of-the-art heuristics on well known benchmark instances

A long-term unit commitment problem with hydrothermal coordination for economic and emission control in large-scale electricity systems

The paper describes a long-term scheduling problem for thermal power plants and energy storages. In addition, renewable energy sources are integrated by considering the residual demand. Besides the classical minimization of the production costs, emission-related costs are taken into account. Thereby, emission costs are determined by market prices for CO2 emission certificates (i.e., using the EU emissions trading system). For the proposed unit commitment problem with hydrothermal coordination for economic and emission control, an enhanced mixed-integer linear programming model is presented. Moreover, a new heuristic approach is developed, which consists of two solution stages. The heuristic first performs an isolated dispatching of thermal plants. Then, a re-optimization stage is included in order to embed activities of energy storages into the final solution schedule. The considered approach is able to find outstanding schedules for benchmark instances with a planning horizon of up to one year. Furthermore, promising results are also obtained for large-scale real-world electricity systems. For the German electricity market, the relationship of CO2 certificate prices and the optimal thermal dispatch is illustrated by a comprehensive sensitivity analysis

Solution procedures for block selection and sequencing in flat-bedded potash underground mines

Phosphates, and especially potash, play an essential role in the increase in crop yields. Potash is mined in Germany in underground mines using a conventional drill-and-blast technique. The most commercially valuable mineral contained in potash is the potassium chloride that is separated from the potash in aboveground processing plants. The processing plants perform economically best if the amount of potassium contained in the output is equal to a specific value, the so-called optimal operating point. Therefore, quality-oriented extraction plays a decisive role in reducing processing costs. In this paper, we mathematically formulate a block selection and sequencing problem with a quality-oriented objective function that aims at an even extraction of potash regarding the potassium content. We, thereby, have to observe some precedence relations, maximum and minimum limits of the output, and a quality tolerance range within a given planning horizon. We model the problem as a mixed-integer nonlinear program which is then linearized. We show that our problem is NP-hard in the strong sense with the result that a MILP-solver cannot find feasible solutions for the most challenging problem instances at hand. Accordingly, we develop a problem-specific constructive heuristic that finds feasible solutions for each of our test instances. A comprehensive experimental performance analysis shows that a sophisticated combination of the proposed heuristic with the mathematical program improves the feasible solutions achieved by the heuristic, on average, by 92.5%

Struktur und Funktion von EVH1-Domänen

Title and Table of Contents 1 Curriculum vitae 7 Acknowledgements 8 Abbreviations 9 Aufgabenstellung und Zielsetzung 10 Aim of this work 12 1 Introduction 14 2 Design of ligands for the human VASP EVH1 domain 19 3 Oligomerization and structural characterization of the human VASP EVH2 domain 35 4 Structure of the human Spred2 EVH1 domain 52 5 Materials and Methods 66 6 Appendix 85 Zusammenfassung und Ausblick 96 Summary and outlook 98 Publications 100 References 102The protein VASP is important for the regulation of actin dynamics. It prevents the inhibition of filament growth (capping). This process is important for shape changes and migration of cells. VASP is also involved in infections with the pathogenic bacterium Listeria monocytogenes and is recruited to the bacterium�s surface. This allows Listeria to polymerise actin filaments and propel itself through the cell. The interaction of VASP is mediated by the surface protein ActA, which contains the amino acid sequence motif SFEFPPPPTEDEL. VASP does not contain a catalytic subunit but rather is involved in several protein protein interactions. They are mediated by the N-terminal EVH1 domain, a central proline rich region and an F-actin binding domain. VASP oligomerises via its C-terminal coiled coil domain. It was the main goal of this work to gain a detailed understanding of factors influencing the function of VASP and develop means to influence this function. The focus lay on investigating the EVH1 domain, competitive inhibitors containing nonnatural amino acids were developed. These allow for an extension of structural motifs compared to natural amino acids and are less prone to proteolytic digestion in vivo. The interaction of VASP with proline rich motifs is mediated by its EVH1 domain. It binds sequences containing the sequence motif FPxfP. It is not possible to substitute the two proline residues with any other natural amnio acid. The only substitution leading to a ligand of higher affinity is SFEWPPPPTEDEL. In this work new ligands based on peptoidic building blocks were developed for the VASP EVH1 domain. These building blocks are derived from the rare amino acid sarcosin, bearing two hydrogen atoms on Ca and a sidechain on the nitrogen atom. Starting from the peptide SFEFPPPPTEDEL a new ligand was developed by screening and model supported structure optimization, in which the first proline residue as well as the preceeding Phe residue were substituted. The peptomer SFEAXPPPPTEDEL (X: peptoid building block) has a lower affinity compared to the starting ligand, but proves the validity of this method in the development of EVH1 ligands. For a better understanding of the structure-function-relationship of EVH1 domains the investigation of homologous proteins is very useful. Therefore the structure of the sequence homologous EVH1 domain from the human Spred2 protein was determined. The structure confirmed the sequence based assumption that this is indeed an EVH1 domain. A comparison of the putative binding site to that of other EVH1 domains shows considerable differences and hints at a different ligand specificity. An interaction partner for the Spred2 EVH1 domain has not been identified in the literature so far. The affinity of EVH1 domains to their binding partners is low, hence the oligomerization of VASP plays a central role in increasing interactions with target proteins. Hence the C-terminal coiled coil EVH2 domain of VASP was investigated as a modulating factor of VASP function. Combining analytical ultracentrifugation and NMR spectroscopy it has been possible to show that this domain forms a parallel tetramer over a broad concentartion range (0.0625 - 5.0 mM). Insight into this arrangement is crucial in developing models of VASP fucntion and interaction within protein networks. Due to the high degree of symmetry of the coiled coil domain is was not possible to determine the complete tetramer structure by NMR so far. Based on NOESY data and residual dipolar couplings a model of a monomer has been calculated. This model is in reasonable agreement with the recently solved crystal structure.Bei der Regulation der Dynamik des Aktincytoskeletts spielt das Protein VASP eine wichtige Rolle. Es verhindert das Capping (Wachstumshemmung) der Aktinfilamente. Dieser Vorgang spielt bei Formänderungen und Migration von Zellen eine wesentliche Rolle. Weiterhin wird VASP bei Infektionen mit dem pathogenen Bakterium Listeria monocytogenes an dessen Oberfläche rekrutiert. Das ermöglicht es Listeria, Aktinfilamente zu polymerisieren und sich so durch die Zelle fortzubewegen. Diese Wechselwirkung wird über das Protein ActA an der Oberfläche von Listeria vermittelt, welches das Motiv SFEFPPPPTEDEL enthält. VASP ist ein Protein ohne katalytische Untereinheiten, das verschiedene Protein-Protein-Wechselwirkungen eingeht. Diese werden von der N-terminalen EVH1-Domäne, einem prolinreichen Mittelteil und einer darauffolgenden F-Aktin bindenden Domäne geformt. Über eine C-terminale coiled coil EVH2-Domäne oligomerisiert VASP. Ziel dieser Arbeit war ein strukturelles Verständnis der Faktoren, die zur Funktion von VASP beitragen, und die Entwicklung von Wegen zu deren Beeinflussung. Das Hauptgewicht lag auf der Untersuchung der EVH1-Domäne, für die kompetitive Liganden mit nicht- natürlichen Aminosäuren entwickelt wurden. Diese erlauben eine Erweiterung des Strukturrepertoires gegenüber natürlichen Aminosäuren und sind in vivo weniger anfällig für einen proteolytischen Abbau. Die Wechselwirkung von VASP mit prolinreichen Motiven, wie sie etwa in ActA vorliegen, wird über die N-terminale EVH1 Domäne vermittelt. Sie bindet Sequenzen des Typs FPxfP. Es hat sich als unmöglich herausgestellt, die beiden Proline dieser Sequenz durch andere, natürliche Aminosäuren zu ersetzen. Die einzige Substitution, die zu einem Liganden höherer Affinität führt, ist SFEWPPPPTEDEL. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Liganden für die humane VASP EVH1-Domäne auf der Basis von Peptoidbausteinen entwickelt. Diese Bausteine sind von der seltenen Aminosäure Sarcosin abgeleitet. Sie tragen an Ca zwei Wasserstoffatome und eine Seitenkette am Stickstoffatom. Ausgehend von dem Peptid SFEFPPPPTEDEL konnte durch ein Screening und anschließende modellunterstützte Optimierung der Strukturen ein neuer Ligand entwickelt werden, in dem sowohl der erste Prolinrest als auch der vorangehende Phenylalaninrest ersetzt wurden. Das Peptomer mit der Sequenz SFEAXPPPTEDEL (X: Peptoidbaustein) hat zwar eine geringere Affinität für die VASP EVH1-Domäne im Vergleich zum Ausgangsliganden, belegt aber den Wert der Methode für die Entwicklung von Liganden für EVH1-Domänen. Um ein besseres Verständnis der Struktur-Funktions- Beziehung der EVH1-Domänen zu erlangen, ist die Untersuchung homologer Domänen hilfreich. Daher wurde die Struktur der sequenzhomologen EVH1-Domäne aus dem humanen Protein Spred2 aufgeklärt. Die Struktur bestätigte die Annahme aus dem Sequenzvergleich, dass es sich in der Tat um eine EVH1-Domäne handelt. Ein Vergleich der möglichen Bindestelle dieser Domäne mit der Bindestelle bekannter EVH1-Domänen deutet darauf hin, dass die Spred2 EVH1-Domäne eine andere Ligandenspezifität hat. Interaktionspartner für diese Domäne wurden bisher nicht beschrieben. Die Affinitäten von EVH1-Domänen zu ihren Bindungspartnern sind niedrig, daher spielt die beobachtete Oligomerisierung von VASP eine Rolle zur Steigerung der Bindung an Zielproteine. Aus diesem Grund wurde die C-terminale EVH2-Domäne von VASP als modulierender Faktor untersucht. Durch die Kombination von Analytischer Ultrazentrifugation und NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, das die Domäne über einen weiten Konzentrationsbereich (0,0625 - 5,0 mM) als parallels Tetramer vorliegt. Diese Anordnung ist wesentlich für die Entwicklung von Modellen zur Funktion des Proteins VASP und insbesondere der Wechselwirkung seiner EVH1-Domäne mit anderen Proteinen. Aufgrund der hohen Symmetrie des coiled coil Domäne konnte ihre Gesamtstruktur durch NMR-Spektroskopie bisher nicht aufgeklärt werden. Auf der Basis der vorliegenden Daten aus NOESY-Experimenten und der Auswertung von Residualen Dipolaren Kopplungen wurde ein Modell des Monomers berechnet, das recht gut mit der in der Zwischenzeit aufgeklärten Kristallstruktur des Tetramers übereinstimmt

Modelle und Verfahren zur Planung von langfristigen Bauprojekten unter Kapitalwertgesichtspunkten

Langfristige Bauprojekte stellen sowohl aus technischer Sicht als auch unter Planungsgesichtspunkten überaus komplexe Herausforderungen dar. Den laufenden Auszahlungen für Löhne, Materialien und fremdbezogene Dienstleistungen stehen dabei erst nach einiger Zeit Fortschrittszahlungen für abgeschlossene Teilprojekte gegenüber. Die Durchführung eines solchen Projekts kann mithin als Investition angesehen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Investitionen liegen bei Investitionsprojekten die Zeitpunkte der Ein- und Auszahlungen nicht fest, sondern sind Gegenstand der Planung. Zur Lösung des Annahme- bzw. Auswahlproblems bei Investitionsprojekten unter Sicherheit erfreut sich die Kapitalwertmethode breiter Zustimmung. Nach einer Betrachtung bekannter Ansätze zur Maximierung des Kapitalwerts von Investitionsprojekten unter Annahme eines vollkommenen Kapitalmarktes wird aufgezeigt, wie das vorgestellte Modell zur Kapitalwertmaximierung für den Fall beschränkt verfügbarer Ressourcen bzw. eines beschränkten Kreditrahmens angepasst werden kann. Die Bewertung von Investitionsprojekten auf Grundlage des optimalen Projektkapitalwerts setzt die Kenntnis des anzuwendenden Kalkulationszinsfußes und der maximalen Projektdauer voraus. Da diese Größen a priori nicht bekannt sind, entwickeln wir ein Verfahren zur Bestimmung des Kapitalwerts von Investitionsprojekten als Funktion des Kalkulationszinsfußes und der maximalen Projektdauer. Abschließend zeigen wir, wie die erzielten Resultate zur Entscheidungsunterstützung eines Bauunternehmers genutzt werden können

Anisotropy of spin relaxation and transverse transport in metals

Using first principles methods we explore the anisotropy of the spin relaxation and transverse transport properties in bulk metals with respect to the direction of the spin quantization axis in paramagnets or of the spontaneous magnetization in ferromagnets. Owing to the presence of the spin-orbit interaction the orbital and spin character of the Bloch states depends sensitively on the orientation of the spins relative to the crystal axes. This leads to drastic changes in quantities which rely on interband mixing induced by the spin-orbit interaction. The anisotropy is particularly striking for quantities which exhibit spiky and irregular distribution in the Brillouin zone, such as the spin-mixing parameter or the Berry curvature of the electronic states. We demonstrate this for three cases: (i) the Elliott-Yafet spin-relaxation mechanism in paramagnets with structural inversion symmetry; (ii) the intrinsic anomalous Hall effect in ferromagnets; and (iii) the spin Hall effect in paramagnets. We discuss the consequences of the pronounced anisotropic behavior displayed by these properties for spin-polarized transport applications.Comment: Psi-k Highlight 111 (2012

Magnetic switching modes for exchange spring systems ErFe2/YFe2/DyFe2/YFe2 with competing anisotropies

The magnetization reversal processes of ½10nm ErFe2=nYFe2=4nm DyFe2=nYFe2" multilayer films with a (110) growth axis and a variable YFe2 layer thickness n are investigated. The magnetically soft YFe2 compound acts as a separator between the hard rare earth (RE) ErFe2 and DyFe2 compounds, each of them bearing different temperature dependent magnetic anisotropy properties. Magnetic measurements of a system with n ¼ 20nm reveal the existence of three switching modes: an independent switching mode at low temperatures, an ErFe2 spin flop switching mode at medium high temperatures, and an YFe2 dominated switching mode at high temperatures. The measurements are in qualitative agreement with the findings of micromagnetic simulations which are used to illustrate the switching modes. Further simulations for a varied YFe2 layer thickness n ranging from 2 to 40nm are carried out. Quantitative criteria are defined to classify the reversal behavior, and the resultant switching modes are laid out in a map with regard to n and the temperature T. A new coupled switching mode emerges above a threshold temperature for samples with thin YFe2 separation layers as a consequence of the exchange coupling between the magnetically hard ErFe2 and DyFe2 layers. It reflects the increasing competition of the two conflicting anisotropies to dominate the magnetic switching states of both RE compounds under decreasing n